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新闻发布

用于超级计算机的激光器的可靠性与省电率达到世界最高水平

2012年3月30日

本公司针对超级计算机(以下称超级计算机)和 数据中心开发的以10Gbps(每秒10吉比特;吉是10亿)的速度运转的垂直腔面发射激光器(VCSEL),其可靠性达到了世界最高水平。(注释1)而且,此次开发的VCSEL还实现了世界最高水平的低耗电运转。我们预计该低耗电激光器在保持高可靠性的同时,不仅能为减少温室气体做出贡献,还能加快超级计算机、数据中心的光互联通信(注释2)的导入速度。我们将应用在远距离通信领域中积累的技术,在计算机领域为“从电子到光子的革新”做出贡献。

此外,关于高速度、低耗能运转的情况,我们已在IBM东京基础研究所进行了评估,还将在各种国际会议上进行报告。

背景

可在大于10Gbps的速度下运转的VCSEL,其工作电流比传统的边射型半导体激光器的工作电流低了1/10~1/5,但是为保证其高速而提高了单位面积的电流(电流密度),所以难以保证其可靠性,而一直以来人们也未对基于充分的个数和时间的可靠性进行研究探讨。

内容

此次,本公司首次对可在10Gbps速度下运转的数千个水平的VCSEL元件进行了可靠性试验,并计算出了可靠度。结果证明:30Fit(注释3)的高速(大于10Gbps)VCSEL具有最高的可靠性。而且继续处理可靠性试验的结果,有望达到更高的可靠度。我们认为如果10Fits为高性能计算机要求的一项指标,则基本达到了这个要求。

在超级计算机的性能预测中,若以10倍/4年(或1000倍/10年)的步调推进高性能化,预计将于2020年达到1000PFLOPS(注释4),此速度相当于当今世界最高速的超级计算机“京”(K computer)的速度的100倍。当时是以需要100万~500万个10Gbps的可传输元件进行试算的,更高的可靠性和低耗电运转是必要条件。

此外,本公司以此制造技术为基础,着手开发了有望在25Gbps速度下运转的新一代VCSEL。而且,此研究开发的一部分是作为NEDO的“用于节能革新技术开发事业/先导研究/绿色光学连接技术的低耗电面发光激光器阵列的开发研究”实施的。

本内容将在4月9日至13日在美国旧金山召开的材料研究学会(MRS:Material Research Society)春季会议上,作为邀请演讲进行发表。

(注释1)在开发过程中,通过使用在发光层中优先确保InGaAs应变量子阱的可靠性的材料,和应用本公司对于带有劣化机理的半导体材料的见解、材料评估技术和在纳米排序领域中的材料分析技术,并经过多番详细讨论后,实现了高可靠性。此外,材料特性使得激光器可以高效运转,从而同时实现了低耗电和高速运转。

(注释2) 以往,在计算机的架之间和计算机内的板之间,都是通过电连接在一起的。不过,随着超级计算机的高性能化,其传输率也不断增大,由此可见,用电连接已经出现了局限性。而与此相对的是,用光实现上述连接的光互联通信,因可满足传输速度增大的要求和低耗电的要求而备受瞩目。超级计算机分为以演算速度的性能指数进行评估的Top500和以耗电进行评估的Green top500。“京”的性能指数虽然位居Top1,但在Green中仅排在第32位。在Green中排位靠前的超级计算机的系统全都采用了多个光互联通信。

(注释3)Fit( Failures in Time)表示元件的可靠性的标准。1Fit是指每小时内10亿个中有1个发生故障、或1万小时(大约1年)内10万个中有1个发生故障,意指极小的故障率。
这次的试验结果显示:在使用100万个的系统中,在使用的1000小时内仅有3个发生故障。因为在实际的系统中会在设计时考虑冗余度,所以会有更高的可靠性。

(注释4)PFLOPS是表示计算机处理速度的单位之一,是指在1秒内可进行1000兆次的演算(实数计算)。

补充:关于VCSEL

VCSEL是东京工业大学的伊贺健一校长发明的日本国内发售的半导体激光器,其有如下几大特征,并已开始应用于各个领域。

  1. 因为激光谐振器是在纵向形成谐振的,所以不同于传统的半导体激光器,不需要对激光晶体进行解理作业,因而可与LED(发光二极管)一样进行晶圆检查,还可用于一维和二维的激光器阵列。
  2. 因其发光层体积只有传统激光器的1/10左右,所以用于激光振动的电流(阈值电流)非常小,因而可实现低耗电,非常适用于一维和二维的激光器阵列。此外,也可实现大容量传输。
  3. 由于发光光束是圆形的,所以可与光纤高度结合。
    目前,主要用于发信机、计算机鼠标和激光打印机等。

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